(57)【要約】  有底の内筒と、前記内筒を包囲する無底の中筒と、前記中筒を包囲する有底の外筒と、を有し、前記外筒は、口径が小さく、かつ前記外筒の底を含む外筒下部と、前記外筒上部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、全周溶接部を有さない、燃料処理装置であって、前記内筒内に配置された加熱部と、前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を含む、燃料処理装置。
2011083534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底の内筒と、
前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、
前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、
前記外筒は、口径が小さく、かつ前記外筒の底を含む外筒下部と、前記外筒上部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、全周溶接部を有さない、燃料処理装置であって、
前記内筒内に配置された加熱部と、
前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、
前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、
前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を含む、燃料処理装置。
【請求項２】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記外筒下部は、側面と底面とを接続する折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記外筒中部は、折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、請求項１に記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを製造する燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを製造する燃料処理装置と、燃料処理装置で製造された燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する。【０００３】
燃料処理装置には、同一の軸心を有する複数の円筒体を備えた円筒式燃料処理器が知られている（例えば特許文献１〜７参照）。【０００４】
図１には特許文献１に示される円筒式燃料処理装置の断面図である。図１に示されるように円筒式燃料処理装置１は、内筒１０と、内筒１０と同一の軸心を有する中筒２０と、内筒１０と中筒２０とを収容する外筒３０と、外筒３０を覆う断熱材４０とを有する。【０００５】
外筒３０は、底面を構成する底板３１と、側面を構成する円筒体とからなる。円筒体は、さらに口径が小さい外筒下部３３と、口径が大きい外筒上部３５と、外筒上部３５と外筒下部３３とを接続するフランジ３７とを有する。このような、外筒３０は通常、底板３１と、外筒下部３３と、フランジ３７と、外筒上部３５とを溶接で繋ぎ合わせることで作製される。【０００６】
内筒内にはバーナからなる加熱部１１が配置されている。また、内筒１０と中筒２０との間には、蒸発部１３と改質部１５とが形成されている。また、中筒２０と外筒３０との間には、改質ガス流路２１と変成部２３とが形成されている。【０００７】
次に、このような円筒式燃料処理装置１によって、燃料ガスを製造するフローについて簡単に説明する。【０００８】
まず、蒸発部１３に原料ガスと水を供給する。蒸発部１３に供給された水は、加熱部１１の熱によって、蒸発し水蒸気となる。蒸発部１３ではさらに水蒸気と原料ガスとが混合される。【０００９】
原料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質部１５に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。【００１０】
改質部１５で生成された改質ガスは、改質ガス流路２１に流入する。そして改質ガスは、変成部２３に流入する。変成部２３では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。変成部２３で一酸化炭素が除去された改質ガスは、酸素を含む空気と混合された後に、選択酸化部２５に流入する。選択酸化部２５では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去され、燃料ガスが製造される。【００１１】
このように、燃料処理装置の運転時には、加熱部の熱によって燃料処理装置全体が加熱される。また、運転時の燃料処理装置では、加熱部が改質部１５を集中的に加熱するため、燃料処理装置の底側の温度が高くなり（６００℃〜８００℃）、天井側の温度が低くなる（１００℃〜２００℃）。【００１２】
また、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着することで、外筒を作製する方法も知られている（例えば特許文献８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−３３１９８５号公報
【特許文献２】特許第４１４５７８５号公報
【特許文献３】特開２００６−９６５９７号公報
【特許文献４】特開２００９−２７４９３８号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０１４４０２９号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０１５１１５２号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００４／０１１５４９４号明細書
【特許文献８】特開２００３−１６０３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したような燃料処理装置が組み込まれた家庭用コージェネレーションシステムは、電力の要否によって起動および停止が繰り返される。このため、組み込まれた燃料処理装置も起動および停止が繰り返される。燃料処理装置の温度は、運転時には１００℃〜８００℃まで上昇し、停止時には常温まで低下する。このため、家庭用コージェネレーションシステムに組み込まれた燃料処理装置は、温度変化にさらされる頻度が高い。【００１５】
特に、図１に示された燃料処理装置１のうち、外部環境に近い外筒３０は、燃料処理装置の停止後、最も急激に冷却される。さらに、外筒３０の底面側の領域は、運転時に最も高温（約８００℃）になる。したがって、外筒３０の底面側の領域では、温度変化が最も激しい。【００１６】
図１に示された従来の燃料処理装置１における外筒３０のように、個々の部材を溶接することで作製された外筒３０が、このような温度変化にさらされると、温度変化による変形と応力が外筒の溶接部に集中し、溶接部が劣化する。溶接部が劣化すると外筒の気密性が保てなくなるという問題があった。【００１７】
このような問題を解決するため、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着することも考えられる（例えば特許文献８参照）。しかし、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着したとしても、接着部分に温度変化による応力が集中し、接着部が劣化する。【００１８】
このように、従来の燃料処理装置では、外筒が温度変化に対する耐久性が低いため、起動と停止が多数繰り返される家庭用コージェネレーションシステムにおいては、燃料処理装置の寿命が短かった。【００１９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、温度変化に対する耐久性が高い燃料処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、外筒の温度変化が激しい領域における全周接合部をなくすことで、燃料処理装置の耐久性を向上させることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。【００２１】
すなわち本発明は以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］有底の内筒と、前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、前記外筒は、口径が小さく、かつ前記外筒の底を含む外筒下部と、前記外筒上部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、全周溶接部を有さない、燃料処理装置であって、前記内筒内に配置された加熱部と、前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を含む、燃料処理装置。
［２］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］または［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、［１］または［２］に記載の燃料処理装置。
［５］前記外筒下部は、側面と底面とを接続する折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［６］前記外筒中部は、折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［７］前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば温度変化に対して耐久性が高く、寿命が長い燃料処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の燃料処理装置の断面図
【図２】本発明の燃料処理装置で燃料ガスを製造するフロー
【図３】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図４】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図５】実施の形態１の燃料処理装置の一部拡大図
【図６Ａ−Ｄ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図６Ｅ−Ｈ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図６Ｉ−Ｌ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図７】実施の形態２の燃料処理装置の断面図
【図８】実施の形態２の外筒の製造工程を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．本発明の燃料処理装置の構成部材について
本発明の燃料処理装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする燃料ガスを製造する円筒式燃料処理装置に関する。まず、本発明の燃料処理装置を構成する部材について説明する。本発明の燃料処理装置は、１）内筒と、２）中筒と、３）外筒とを有する。
【００２５】
１）内筒について
内筒は底を有する筒体である。内筒内にはバーナなどからなる加熱部が配置される。また、内筒の内側には、加熱部によって加熱された燃焼ガスを流すための流路が形成されていてもよい。内筒の口径は例えば４０〜７０ｍｍである。
【００２６】
２）中筒について
中筒は、内筒よりも大きな口径を有し、内筒を包囲する筒体である。中筒は内筒と同一の中心軸を有する。内筒と中筒との間の間隙には、中空円柱型の空間が形成される。内筒と中筒との間に形成された空間には、後述する蒸発流路および改質部が形成される。また、中筒は内筒と異なり、底を有さない。中筒の口径は例えば６０〜１００ｍｍであり、内筒の口径よりも２０〜３０ｍｍ大きい。中筒の口径は一定であってもよいが、変化してもよい。
【００２７】
３）外筒について
中筒は、外筒よりも大きな口径を有し、中筒を包囲する筒体である。外筒は内筒および中筒と同一の中心軸を有する。中筒と外筒との間の間隙には、中空円柱型の空間が形成される。中筒と外筒との間に形成された空間には、後述する改質ガス流路および一酸化炭素除去部が形成される。
【００２８】
また外筒の底面と、内筒および中筒とは接触せず、外筒の底面と、内筒および中筒との間には間隙が形成される。外筒の底面と内筒および中筒との間の間隙は、後述するガス折り返し部として機能する。外筒を構成する板および底板の厚さは、通常０．８〜１．２ｍｍである。
【００２９】
外筒は、外筒下部と、外筒上部と、外筒中部とを有する。外筒下部は口径が小さく、外筒の底を含む。外筒下部の口径は６５〜１１０ｍｍであり、中筒の口径よりも５〜１０ｍｍ大きい。また、外筒下部の軸心方向の長さは１８０〜３００ｍｍである。
【００３０】
外筒上部は口径が大きく、外筒の底とは反対側（天井側）の端部を含む。外筒上部の口径は１２０〜１８０ｍｍであり、中筒の口径よりも６０〜８０ｍｍ大きい。外筒上部の軸心方向の長さは１５０〜２００ｍｍである。
【００３１】
外筒中部は、外筒下部と外筒上部とを接続する。外筒中部の軸心方向の長さは１０〜３０ｍｍである。
【００３２】
このように本発明では、外筒の外筒上部の口径と、外筒の外筒下部の口径とが異なる。このため、外筒上部と外筒下部とを接続する外筒中部では、外筒の口径が変化する（図３参照）。
【００３３】
本発明では、少なくとも外筒中部および外筒下部が全周溶接部を有さないことを特徴とする。ここで「全周溶接」とは、２部材を接続する部分を全長にわたり一周するように溶接することを意味する。したがって「全周溶接部」とは、具体的には、外筒の側面と外筒の底との全周溶接によるつなぎ目であったり、外筒中部と外筒上部との全周溶接によるつなぎ目であったり、外筒とフランジとの全周溶接によるつなぎ目であったりする（図３参照）。
【００３４】
また、「外筒中部、外筒下部および底板が全周溶接部を有さない」とは、「外筒中部および外筒下部がそれぞれ全周溶接部を有さないこと」および「外筒中部と外筒下部との間に全周溶接部がないこと」を意味する。
【００３５】
外筒中部および外筒下部が全周溶接部を有さない本発明では、外筒中部と、外筒下部とは、切削加工またはプレス絞り加工によって作製されうるが、コストの観点からプレス絞り加工によって作製されることが好ましい。具体的には、外筒中部と、外筒下部とは、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製（以下単に「プレス絞り加工で一体的に作製」とも称する）されることが好ましい（図６参照）。ここで「プレス絞り加工」とは、金属塑性加工の１種で、１枚の板状の素材を変形させて一度に器状にする加工方法を意味する。このように、本発明では、外筒下部と、外筒中部とを、溶接によって接合することはない。
【００３６】
プレス絞り加工で作製される外筒中部と、外筒下部との材料となる金属板の厚さは、例えば０．８〜１．２ｍｍである。プレス絞り加工では、減肉を考慮する必要があるので、金属板の厚さが０．８ｍｍ以下であると、筒体の厚さが薄くなりすぎる恐れがある。
【００３７】
また、金属板の材料は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。上述のように燃料処理装置は、運転時に高温になるので、外筒を構成する金属板の材料を、高温耐久性が高いオーステナイト系ステンレス鋼とすることで、燃料処理装置の高温耐久性が高まる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、他の種類のステンレス鋼（例えばフェライト系）よりも伸ばしやすい。このため、金属板の材料をオーステナイト系ステンレス鋼とすることは、成形加工性の観点からも好ましい。
【００３８】
このように、外筒下部と、外筒中部とをプレス絞り加工で一体的に作製する場合、外筒の折曲部において応力が残留し、シーズンクラックの原因になることがあった。ここで「シーズンクラック」とは、残留応力を有する部材が、時間の経過によって割れる現象を意味する。
【００３９】
これに対し、本発明者は、外筒の折曲部における曲率を調整することで折曲部における残留応力を低減し、シーズンクラックを防止できることを見出した。ここで「外筒の折曲部」とは、外筒下部の側面と底面とを接続する折曲部と、外筒中部における外筒の口径が変化する部分における折曲部と、を意味する（図４、折曲部１３９参照）。
【００４０】
例えば、外筒の材料である板の厚さが０．８〜１．２ｍｍである場合、外筒の折曲部における曲率半径は、２ｍｍ以上であることが好ましい。外筒の折曲部における曲率半径が、２ｍｍ以下であった場合、折曲部において応力が残留し、外筒にシーズンクラックが発生するおそれがある。より具体的には、外筒下部の側面と底面とを接続する折曲部における曲率半径は、約８ｍｍであり、外筒中部の折曲部における曲率半径は、約４ｍｍである。このように、外筒の折曲部における曲率半径を調節することで、シーズンクラックの発生を抑制しつつ、全周溶接部を有さない外筒下部と、外筒中部とをプレス絞り加工で一体的に作製することができる。
【００４１】
一方で、折曲部における曲率半径が大きすぎると、外筒が軸心方向に長くなる。また、外筒の折曲部では、外筒の口径の管理が困難になることから、外筒の折曲部では後述する一酸化炭素除去部における触媒を保持する棚板などを設けることができない。このため折曲部における曲率半径が大きすぎると、外筒内に無駄な空間が発生する。このように、折曲部における曲率半径が大きすぎると、燃料処理装置が不必要に長くなり、大型化する。このような、大型の燃料処理装置は、小型化が求められるコージェネレーションシステムに組み込む燃料処理装置として好ましくない。
【００４２】
また、折曲部における曲率半径が大きくなると、外筒の表面積が大きくなり、燃料処理装置が放熱しやすくなる。このため折曲部における曲率半径が大きすぎると、放熱を防ぐために必要となる断熱材の量が増え、断熱コストが上がる。
【００４３】
このため外筒の折曲部における曲率半径が大きすぎることは好ましくない。具体的には、外筒の折曲部における曲率半径は、１２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
さらに本発明では、外筒の全ての部材が（外筒上部、外筒中部、外筒下部）プレス絞り加工で一体的に作製されることが好ましい（実施の形態１参照）。しかし、外筒は、軸心方向に一定の長さを有するので、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって外筒を作製することは困難な場合がある。したがって本発明では、外筒中部および外筒下部と、外筒上部とを別々に作製し、外筒上部を全周溶接によって外筒中部に接合してもよい（実施の形態２参照）。外筒上部が全周溶接によって外筒中部に接合されている場合、外筒は、外筒中部と外筒上部との間に全周溶接部を有しうる。
【００４５】
このように、本発明の燃料処理装置は、外筒の外筒下部と外筒中部とが、全周溶接部を有しないので、温度変化に対する耐久性が高く、寿命が長い（後述）。
【００４６】
２．本発明の燃料処理装置の構造について
次に本発明の燃料処理装置の構造について説明する。本発明の燃料処理装置は、上述のように１）蒸発部と、２）改質部と、３）一酸化炭素除去部とを有する。
【００４７】
１）蒸発部
蒸発部では、蒸発部に供給された都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などのメタンを含む原料ガスと水とが加熱され、原料ガスと水蒸気とが混合される。蒸発部は、内筒の上部と中筒の上部との間に形成される。蒸発部は、内筒の外周に沿って周回するように螺旋状の流路から構成されることが好ましい。内筒と中筒との間に螺旋状の流路を形成するためには、内筒と中筒との間の空間に内筒の外周に沿って周回する螺旋状のガイドを設ければよい。
【００４８】
蒸発部が螺旋状の流路から構成されると、蒸発部の長さが長くなり、原料ガスおよび水が蒸発部を流れる時間を長くすることができる。原料ガスおよび水が蒸発部を流れる時間が長いと、水が蒸発しやすくなる。蒸発した水（水蒸気）は、原料ガスと混合しやすい。
【００４９】
２）改質部
改質部は、蒸発部で生成された原料ガスと水蒸気との混合ガスから、水蒸気改質反応によって水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。改質部は、内筒の下部と中筒の下部との間に形成される。また、改質反応は吸熱反応であるため、改質部は、燃料処理装置の運転時に高温になる内筒の下部の周囲を包囲するように配置される（図３参照）。改質部が内筒の下部を包囲することで、改質部が加熱されやすくなり、改質反応の効率が高まる。改質部は、Ｎｉ系触媒やＲｕ系触媒などの金属系の改質触媒を含む。
【００５０】
３）一酸化炭素除去部
一酸化炭素除去部は、外筒上部と、中筒の上部との間に形成され、改質部で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去する。また、一酸化炭素除去部は、蒸発部の周囲を包囲する。一酸化炭素除去反応は、発熱反応である。このため、一酸化炭素除去部が蒸発部の周囲を包囲すると、燃料処理装置の使用中に一酸化炭素除去部が、蒸発部に熱を供給できる。
【００５１】
一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるＣＯ変成反応で、改質ガス中の一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成部と；ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応で、改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに１０ｐｐｍ以下程度にまで下げる選択酸化部とを有する。また、変成部と選択酸化部との間には、改質ガスに空気を供給するための空気供給部が備えられている。
【００５２】
改質部と一酸化炭素除去部とは、外筒下部と、中筒の下部との間に形成された改質ガス流路によって接続される。
【００５３】
また、改質部と一酸化炭素除去部とは、内筒の中心軸方向に離間していることが好ましい（図３参照）。このように、改質部と一酸化炭素除去部とを離間させることで、燃料処理装置の劣化を抑制することができる（実施の形態１参照）。
【００５４】
３．燃料処理装置による燃料ガスの製造について
次に本発明の燃料処理装置によって燃料ガスを製造するフローについて、図２を参照しながら説明する。
【００５５】
まず、第１ガス流路の蒸発部に原料ガスおよび水を供給する（Ｓ１００１）。蒸発部に供給された原料ガスおよび水は、蒸発部を流れる間に加熱部からの熱によって加熱される（Ｓ１００２）。その結果、水は蒸発して水蒸気となり原料ガスと混合される（Ｓ１００３）。
【００５６】
加熱された原料ガスおよび水蒸気は、改質部に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、改質ガスが生成される（Ｓ１００４）。
【００５７】
改質部で生成された改質ガスは、外筒の底と内筒および中筒との間の間隙で折り返し（図３参照）、改質ガス流路に流入する。そして改質ガスは、一酸化炭素除去部の変成部に流入する。変成部では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される（Ｓ１００５）。変成部で一酸化炭素が除去された改質ガスは、空気供給部によって供給された酸素を含む空気と混合された後に、一酸化炭素除去部の選択酸化部に流入する。選択酸化部では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される（Ｓ１００６）。一酸化炭素除去部で一酸化炭素が除去された改質ガス（燃料ガス）は、一酸化炭素除去部から流出し、燃料ガスが製造される。
【００５８】
このように、燃料処理装置の運転時には、加熱部の熱によって燃料処理装置自体が高温になる。特に加熱部によって集中的に加熱される内筒や外筒の底面付近は、最も高温（８００℃程度）になる。一方で、燃料処理装置の停止時には、燃料処理装置が常温まで低下する。
【００５９】
このため、起動と停止が頻繁に繰り返される家庭用コージェネレーションシステムに組み込まれた燃料処理装置は、温度変化にさらされる頻度が高い。特に燃料処理装置の外部環境に近い外筒は、燃料処理装置の停止後に最も急激に冷却される。また、上述のように、外筒の底面付近では、運転時に最も高温となる。したがって、外筒の外筒下部では、温度変化が激しく、温度変化による応力が最も大きい。
【００６０】
本発明では、激しい温度変化にさらされる外筒中部および外筒下部が、全周溶接部を有さず、プレス絞り加工で一体的に作製される。このため、本発明の外筒は、温度変化による応力に対する耐久性が高い。
【００６１】
一方、従来の燃料処理装置のように、外筒下部の底板と、外筒下部の側面と、外筒中部と、外筒上部とを溶接で接合する場合（図１参照）、温度変化による応力によって外筒下部の底板と外筒下部の側面との溶接部や、外筒下部と外筒中部との溶接部が劣化し、クラックなどが発生しやすかった。
【００６２】
このように、本発明によれば、外筒の温度変化に対する耐久性を向上させ、寿命が長い燃料処理装置を提供することができる。
【００６３】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００６４】
［実施の形態１］
図３は、本発明の実施の形態１の燃料処理装置１００の断面図を示す。図３に示されるように本発明の燃料処理装置１００は、内筒１１０と中筒１２０と外筒１３０とを有する。
【００６５】
また、本発明の燃料処理装置１００は、内筒１１０内に配置された加熱部１１５；加熱部１１５によって加熱された燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路１１７；蒸発部２１０；改質部２２０；改質ガス流路３１０；および、変成部３２０と選択酸化部３３０とを有する一酸化除去部；を有する。
【００６６】
図３中の矢印Ｘは、ガスが流れる方向を示す。図３に示されるように、まず、蒸発部２１０に原料ガスおよび水が原料供給口２１１から供給される。蒸発部２１０に供給された原料ガスおよび水は、蒸発部２１０を流れる間に加熱部１１５からの熱によって加熱される。その結果、水は蒸発して水蒸気となり原料ガスと混合される。
【００６７】
加熱された原料ガスおよび水蒸気は、改質部２２０に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、改質ガスが生成される。
【００６８】
改質部２２０で生成された改質ガスは、外筒１３０の底１３１と内筒１１０および外筒１２０との間隙で折り返し、改質ガス流路３１０に流入する。そして改質ガスは、変成部３２０に流入する。変成部３２０では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。変成部３２０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、空気供給口３２１から供給された酸素を含む空気と混合された後に、選択酸化部３３０に流入する。選択酸化部３３０では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。その後、改質ガス（燃料ガス）は、排出口３３１から排出され、燃料ガスが得られる。
【００６９】
また、本実施の形態では、改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とは、内筒１１０の中心軸方向に離間する。このため、改質部２２０と変成部３２０との間には、内筒１１０の中心軸に沿ったギャップＧが形成される。ギャップＧの大きさは、５〜１５０ｍｍであることが好ましい。このように、吸熱反応を触媒する改質部２２０と、発熱反応を触媒する変成部３２０との間に、内筒１１０の中心軸に沿ったギャップを設けることで、燃料処理機の劣化を抑制することができる。
【００７０】
上述のように、改質部２２０は吸熱反応を触媒し、一酸化炭素除去部（変成部３２０）は発熱反応を触媒する。このため、仮に、改質部２２０と一酸化炭素除去部（改質部２２０）とが、内筒１１０の中心軸方向にオーバーラップした場合、オーバーラップした領域の中筒および外筒は、改質部２２０と変成部３２０との間の温度差にさらされる。このため、改質部２２０と変成部３２０とがオーバーラップすると、オーバーラップした領域の中筒および外筒が、温度差による応力によって劣化しやすい。
【００７１】
一方、本実施の形態のように改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とが、内筒１１０の中心軸方向に離間していると、温度差が激しい領域が形成されない。このため、改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とを離間させることで、改質部２２０と変成部３２０との間の温度差による中筒および外筒の劣化を抑制することができる。
【００７２】
本実施の形態の燃料処理装置１００は、内筒１１０、中筒１２０および外筒１３０の構造に特徴を有する。以下、図４を参照しながら、内筒１１０、中筒１２０および外筒１３０の構造について説明する。図４では、加熱部１１５、燃焼ガス流路１１７、改質部２２０、変成部３２０および選択酸化部３３０を省略する。
【００７３】
内筒１１０は側面を構成する筒体と底面を構成する底板とからなる。本実施の形態では内筒１１０は、全周溶接部を有さず、１枚の金属板をプレス絞り加工することで作製されることが好ましい。
【００７４】
中筒１２０は内筒１１０と同一の中心軸を有し、内筒１１０よりも大きな口径を有する。また、中筒１２０は内筒１１０と異なり、底面を有さない。本実施の形態では、中筒１２０の下部の口径が大きく、中筒１２０の上部の口径が小さい。より具体的には、中筒１２０のうち、後述する外筒上部１３７に囲まれた領域の口径が小さく；中筒１２０のうち、外筒下部１３３に囲まれた領域の口径が大きい。また、本実施の形態では、中筒１２０は、全周溶接部を有さないことが好ましい。
【００７５】
外筒１３０は内筒１１０および中筒１２０を包囲する。また外筒１３０は、底板１３１を有する。外筒１３０は、口径が小さい外筒下部１３３と、口径が大きい外筒上部１３７と、外筒下部１３３と外筒上部１３７とを繋ぐ外筒中部１３５と、からなる。外筒中部１３５では、外筒１３０の口径が変化する。
【００７６】
本実施の形態では、外筒下部１３３と、外筒中部１３５と、外筒上部１３７とは、プレス絞り加工で一体的に作製される。また、外筒１３０と中筒１２０とを接続するフランジ１４０は、外筒１３０の天井の端部に溶接されている。このように本実施の形態では、外筒１３０の天井側の端部とフランジ１４０との接続部のみが全周溶接部１３６である。このため、本実施の形態では、外筒中部１３５、外筒下部１３３および底板１３１が全周溶接部を有さない。
【００７７】
外筒１３０の底板１３１の反対側の端部では、燃料処理装置の運転時の温度が１００℃〜１５０℃程度にしかならならず、温度変化の幅が小さい。このため、外筒１３０の端部とフランジ１４０との間の全周溶接部１３６は、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。
【００７８】
また、本実施の形態は、外筒１３０の折曲部１３９における曲率半径に特徴を有する。図４に示されるように、外筒１３０は、外筒中部１３５に折曲部１３９を２つ有し、外筒下部１３３に、側面と底板１３１とを接続する折曲部１３９を１つ有する。
【００７９】
図５は、図４に示された外筒下部１３３と底板１３１との接続部における折曲部１３９の拡大図を示す。図５に示された折曲部１３９の曲率半径θは、２ｍｍ以上であり、約８ｍｍである。また、内筒１１０および中筒１２０における折曲部も同様に調整されることが好ましい。
このように、外筒１３０の折曲部１３９における曲率半径θを調節することで、折曲部における残留応力を減少させて、シーズンクラックの発生を抑制しつつ、外筒をプレス絞り加工で一体的に作製することができる。
【００８０】
このような外筒１３０は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製される。外筒１３０の作製方法は、少なくとも、１）口径が一定の円筒体を有する外筒を作製するステップと、２）外筒上部の口径を広げるステップとを有する。以下、外筒１３０の作製方法について図６Ａ〜Ｌを参照しながら説明する。
【００８１】
図６Ａ〜Ｄは、口径が一定の円筒体を有する外筒１３０ａを作製するステップを示す。外筒１３０ａを作製するステップでは、まず、図６Ａに示されるように、ダイ５０１とパンチ５０３およびしわ押さえ５０５との間に加工油を塗布した金属板５０７を配置する。
【００８２】
次に、図６Ｂに示されるように、金属板５０７をしわ押さえ５０５で押さえながら、パンチ５０３をプレスによってダイ５０１に押し込む。これにより金属板５０７もダイ５０１に押し込まれ、金属板５０７が窪む。
【００８３】
次に、図６Ｃに示されるように、パンチ５０３をさらにダイ５０１に押し込む。これにより金属板５０７が完全にダイ５０１に押し込まれ、外筒１３０ａが作製される。
【００８４】
そして、図６Ｄに示されるようにダイ５０１から外筒１３０ａを取り外す。上述のように、外筒１３０ａの外筒下部と外筒上部との口径は同一である。
【００８５】
図６Ａ〜Ｄでは、１度のプレス絞り加工で、金属板５０７から外筒１３０ａを作製する例を説明したが、プレス絞り加工を複数回行うことで、外筒１３０ａを徐々に深くしてもよい。
【００８６】
図６Ｅ〜Ｌは、外筒１３０ａの外筒上部の口径を大きくし、外筒１３０を完成させるステップを示す。外筒上部の口径を大きくするステップでは、まず、図６Ｅに示されるように、外筒１３０ａの形状に合わせたパンチ５１３に外筒１３０ａをはめ込み、ダイ５１１に押し込む。
【００８７】
その後、図６Ｆおよび図６Ｇに示されるように、楔型パンチ５１５をダイ５１１に押し込む。これにより外筒１３０ａの開口側が広がる（図６Ｈ）。
【００８８】
楔形パンチ５１５で外筒１３０ａの開口側を、ある程度広げた後、底が平らなパンチ５１７をダイ５１１に押し込む（図６Ｉ、図６Ｊ）。このように、本実施の形態では、楔型パンチ５１５でまず外筒上部の口径を、ある程度広げ、そして底が平らなパンチ５１７で外筒上部の口径をさらに広げることを特徴とする。このように、複数のステップで外筒上部の口径を徐々に広げることで、折曲部にかかるストレスを低減することができる。そして、パンチ５１７をダイ５１１に完全に押し込むことで、外筒１３０ａの開口側が所望の形状に広がり、口径が小さい外筒下部１３３と、口径が大きい外筒上部１３７と、外筒下部１３３と外筒上部１３７とをつなぐ外筒中部１３５とを有する外筒１３０が作製される（図６Ｋ）。
【００８９】
そして、ダイ５１１から外筒１３０を取り外すことで、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製された外筒１３０が得られる（図６Ｌ）。
【００９０】
このように、本実施の形態によれば、外筒の温度の変化幅が大きい領域に全周溶接部を有さないので、温度変化に対する耐久性が強い。また、本実施の形態では、内筒および中筒もそれぞれ一体的に形成されていることから、温度変化による応力に対する耐久性が高い。このため、本実施の形態によれば、温度変化に対する耐久性が高く、寿命が長い燃料処理装置が得られる。
【００９１】
［実施の形態２］
実施の形態１では、外筒が１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製される形態について説明した。実施の形態２では、外筒下部および外筒中部と、外筒上部とを、別々に作製し、外筒上部を外筒中部に接合する形態について説明する。
【００９２】
図７は、実施の形態２の燃料処理装置１００’の断面図である。実施の形態２の燃料処理装置１００’は、外筒１３０’が、外筒上部と外筒中部との間に全周溶接部を有する以外は、実施の形態１の燃料処理装置１００と同じである。したがって、実施の形態１の燃料処理装置１００と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。
【００９３】
図７に示されるように、外筒１３０’が、外筒上部１３７と外筒中部１３５との間に全周溶接部１３６を有する。
【００９４】
外筒上部１３７と外筒中部１３５との間では、燃料処理装置の運転時の温度が１５０℃〜３００℃程度にしかならならず、温度変化の幅が小さい。このため、外筒上部１３７と外筒中部１３５との間の全周溶接部１３６は、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。
【００９５】
図８は、外筒１３０’の製造工程の一部を示す。図８に示されるように、外筒１３０’はプレス絞り加工で一体的に作製された、外筒下部１３３および外筒中部１３５に、外筒上部１３７を溶接によって接合することで作製される。外筒上部１３７は、例えば、巻いた金属板を縦溶接することで作製されてもよい。上述のように外筒上部１３７付近では、温度変化の幅が小さいので、溶接部が、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。このため、外筒上部１３７を巻いた金属板を縦溶接することで作製したとしても、外筒上部１３７が劣化することはない。
【００９６】
このように本実施の形態によれば、外筒下部および外筒中部と、外筒上部とを分けて作製することができる。このため、外筒下部および外筒中部をより簡便にプレス絞り加工で一体的に作製することが可能となる。
【００９７】
本出願は、２０１０年１月５日出願の特願２０１０−０００７６２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の燃料処理装置は、温度変化に対する耐久性が高いことから、起動と停止が多数繰り返される家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１００、１００’  燃料処理装置
１１０  内筒
１１５  加熱部
１１７  燃焼ガス流路
１２０  中筒
１３０  １３０’  外筒
１３１  底板
１３３  外筒下部
１３５  外筒中部
１３６  全周溶接部
１３７  外筒上部
１３９  折曲部
１４０  フランジ
２１０  蒸発部
２１１  原料供給口
２２０  改質部
３１０  改質ガス流路
３２０  変成部
３２１  空気供給口
３３０  選択酸化部
３３１  燃料ガス排出口
５０１、５１１  ダイ
５０３、５１３、５１５、５１７  パンチ
５０５  しわ押さえ
５０７  金属板
【図１】
2011083534.tif 000003
【図２】
2011083534.tif 000004
【図３】
2011083534.tif 000005
【図４】
2011083534.tif 000006
【図５】
2011083534.tif 000007
【図６Ａ−Ｄ】
2011083534.tif 000008
【図６Ｅ−Ｈ】
2011083534.tif 000009
【図６Ｉ−Ｌ】
2011083534.tif 000010
【図７】
2011083534.tif 000011
【図８】
2011083534.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月23日(2011.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを製造する燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを製造する燃料処理装置と、燃料処理装置で製造された燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する。
【０００３】
燃料処理装置には、同一の軸心を有する複数の円筒体を備えた円筒式燃料処理器が知られている（例えば特許文献１〜７参照）。
【０００４】
図１には特許文献１に示される円筒式燃料処理装置の断面図である。図１に示されるように円筒式燃料処理装置１は、内筒１０と、内筒１０と同一の軸心を有する中筒２０と、内筒１０と中筒２０とを収容する外筒３０と、外筒３０を覆う断熱材４０とを有する。
【０００５】
外筒３０は、底面を構成する底板３１と、側面を構成する円筒体とからなる。円筒体は、さらに口径が小さい外筒下部３３と、口径が大きい外筒上部３５と、外筒上部３５と外筒下部３３とを接続するフランジ３７とを有する。このような、外筒３０は通常、底板３１と、外筒下部３３と、フランジ３７と、外筒上部３５とを溶接で繋ぎ合わせることで作製される。
【０００６】
内筒内にはバーナからなる加熱部１１が配置されている。また、内筒１０と中筒２０との間には、蒸発部１３と改質部１５とが形成されている。また、中筒２０と外筒３０との間には、改質ガス流路２１と変成部２３とが形成されている。
【０００７】
次に、このような円筒式燃料処理装置１によって、燃料ガスを製造するフローについて簡単に説明する。
【０００８】
まず、蒸発部１３に原料ガスと水を供給する。蒸発部１３に供給された水は、加熱部１１の熱によって、蒸発し水蒸気となる。蒸発部１３ではさらに水蒸気と原料ガスとが混合される。
【０００９】
原料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質部１５に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００１０】
改質部１５で生成された改質ガスは、改質ガス流路２１に流入する。そして改質ガスは、変成部２３に流入する。変成部２３では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。変成部２３で一酸化炭素が除去された改質ガスは、酸素を含む空気と混合された後に、選択酸化部２５に流入する。選択酸化部２５では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去され、燃料ガスが製造される。
【００１１】
このように、燃料処理装置の運転時には、加熱部の熱によって燃料処理装置全体が加熱される。また、運転時の燃料処理装置では、加熱部が改質部１５を集中的に加熱するため、燃料処理装置の底側の温度が高くなり（６００℃〜８００℃）、天井側の温度が低くなる（１００℃〜２００℃）。
【００１２】
また、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着することで、外筒を作製する方法も知られている（例えば特許文献８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−３３１９８５号公報
【特許文献２】特許第４１４５７８５号公報
【特許文献３】特開２００６−９６５９７号公報
【特許文献４】特開２００９−２７４９３８号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０１４４０２９号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０１５１１５２号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００４／０１１５４９４号明細書
【特許文献８】特開２００３−１６０３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したような燃料処理装置が組み込まれた家庭用コージェネレーションシステムは、電力の要否によって起動および停止が繰り返される。このため、組み込まれた燃料処理装置も起動および停止が繰り返される。燃料処理装置の温度は、運転時には１００℃〜８００℃まで上昇し、停止時には常温まで低下する。このため、家庭用コージェネレーションシステムに組み込まれた燃料処理装置は、温度変化にさらされる頻度が高い。
【００１５】
特に、図１に示された燃料処理装置１のうち、外部環境に近い外筒３０は、燃料処理装置の停止後、最も急激に冷却される。さらに、外筒３０の底面側の領域は、運転時に最も高温（約８００℃）になる。したがって、外筒３０の底面側の領域では、温度変化が最も激しい。
【００１６】
図１に示された従来の燃料処理装置１における外筒３０のように、個々の部材を溶接することで作製された外筒３０が、このような温度変化にさらされると、温度変化による変形と応力が外筒の溶接部に集中し、溶接部が劣化する。溶接部が劣化すると外筒の気密性が保てなくなるという問題があった。
【００１７】
このような問題を解決するため、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着することも考えられる（例えば特許文献８参照）。しかし、溶接技術を用いずに円筒体と底板とを接着したとしても、接着部分に温度変化による応力が集中し、接着部が劣化する。
【００１８】
このように、従来の燃料処理装置では、外筒が温度変化に対する耐久性が低いため、起動と停止が多数繰り返される家庭用コージェネレーションシステムにおいては、燃料処理装置の寿命が短かった。
【００１９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、温度変化に対する耐久性が高い燃料処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、外筒の温度変化が激しい領域における全周接合部をなくすことで、燃料処理装置の耐久性を向上させることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。
【００２１】
すなわち本発明は以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］有底の内筒と、前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、前記外筒は、前記外筒の底を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、全周溶接部を有さない、燃料処理装置であって、前記内筒内に配置された加熱部と、前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を含む、燃料処理装置。
［２］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］または［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、［１］または［２］に記載の燃料処理装置。
［５］前記外筒下部は、側面と底面とを接続する折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［６］前記外筒中部は、折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［７］前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば温度変化に対して耐久性が高く、寿命が長い燃料処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の燃料処理装置の断面図
【図２】本発明の燃料処理装置で燃料ガスを製造するフロー
【図３】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図４】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図５】実施の形態１の燃料処理装置の一部拡大図
【図６Ａ−Ｄ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図６Ｅ−Ｈ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図６Ｉ−Ｌ】実施の形態１の外筒の作製工程を示す図
【図７】実施の形態２の燃料処理装置の断面図
【図８】実施の形態２の外筒の製造工程を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．本発明の燃料処理装置の構成部材について
本発明の燃料処理装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする燃料ガスを製造する円筒式燃料処理装置に関する。まず、本発明の燃料処理装置を構成する部材について説明する。本発明の燃料処理装置は、１）内筒と、２）中筒と、３）外筒とを有する。
【００２５】
１）内筒について
内筒は底を有する筒体である。内筒内にはバーナなどからなる加熱部が配置される。また、内筒の内側には、加熱部によって加熱された燃焼ガスを流すための流路が形成されていてもよい。内筒の口径は例えば４０〜７０ｍｍである。
【００２６】
２）中筒について
中筒は、内筒よりも大きな口径を有し、内筒を包囲する筒体である。中筒は内筒と同一の中心軸を有する。内筒と中筒との間の間隙には、中空円柱型の空間が形成される。内筒と中筒との間に形成された空間には、後述する蒸発流路および改質部が形成される。また、中筒は内筒と異なり、底を有さない。中筒の口径は例えば６０〜１００ｍｍであり、内筒の口径よりも２０〜３０ｍｍ大きい。中筒の口径は一定であってもよいが、変化してもよい。
【００２７】
３）外筒について
中筒は、外筒よりも大きな口径を有し、中筒を包囲する筒体である。外筒は内筒および中筒と同一の中心軸を有する。中筒と外筒との間の間隙には、中空円柱型の空間が形成される。中筒と外筒との間に形成された空間には、後述する改質ガス流路および一酸化炭素除去部が形成される。
【００２８】
また外筒の底面と、内筒および中筒とは接触せず、外筒の底面と、内筒および中筒との間には間隙が形成される。外筒の底面と内筒および中筒との間の間隙は、後述するガス折り返し部として機能する。外筒を構成する板および底板の厚さは、通常０．８〜１．２ｍｍである。
【００２９】
外筒は、外筒下部と、外筒上部と、外筒中部とを有する。外筒下部は口径が小さく、外筒の底を含む。外筒下部の口径は６５〜１１０ｍｍであり、中筒の口径よりも５〜１０ｍｍ大きい。また、外筒下部の軸心方向の長さは１８０〜３００ｍｍである。
【００３０】
外筒上部は口径が大きく、外筒の底とは反対側（天井側）の端部を含む。外筒上部の口径は１２０〜１８０ｍｍであり、中筒の口径よりも６０〜８０ｍｍ大きい。外筒上部の軸心方向の長さは１５０〜２００ｍｍである。
【００３１】
外筒中部は、外筒下部と外筒上部とを接続する。外筒中部の軸心方向の長さは１０〜３０ｍｍである。
【００３２】
このように本発明では、外筒の外筒上部の口径と、外筒の外筒下部の口径とが異なる。このため、外筒上部と外筒下部とを接続する外筒中部では、外筒の口径が変化する（図３参照）。
【００３３】
本発明では、少なくとも外筒中部および外筒下部が全周溶接部を有さないことを特徴とする。ここで「全周溶接」とは、２部材を接続する部分を全長にわたり一周するように溶接することを意味する。したがって「全周溶接部」とは、具体的には、外筒の側面と外筒の底との全周溶接によるつなぎ目であったり、外筒中部と外筒上部との全周溶接によるつなぎ目であったり、外筒とフランジとの全周溶接によるつなぎ目であったりする（図３参照）。
【００３４】
また、「外筒中部、外筒下部および底板が全周溶接部を有さない」とは、「外筒中部および外筒下部がそれぞれ全周溶接部を有さないこと」および「外筒中部と外筒下部との間に全周溶接部がないこと」を意味する。
【００３５】
外筒中部および外筒下部が全周溶接部を有さない本発明では、外筒中部と、外筒下部とは、切削加工またはプレス絞り加工によって作製されうるが、コストの観点からプレス絞り加工によって作製されることが好ましい。具体的には、外筒中部と、外筒下部とは、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製（以下単に「プレス絞り加工で一体的に作製」とも称する）されることが好ましい（図６参照）。ここで「プレス絞り加工」とは、金属塑性加工の１種で、１枚の板状の素材を変形させて一度に器状にする加工方法を意味する。このように、本発明では、外筒下部と、外筒中部とを、溶接によって接合することはない。
【００３６】
プレス絞り加工で作製される外筒中部と、外筒下部との材料となる金属板の厚さは、例えば０．８〜１．２ｍｍである。プレス絞り加工では、減肉を考慮する必要があるので、金属板の厚さが０．８ｍｍ以下であると、筒体の厚さが薄くなりすぎる恐れがある。
【００３７】
また、金属板の材料は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。上述のように燃料処理装置は、運転時に高温になるので、外筒を構成する金属板の材料を、高温耐久性が高いオーステナイト系ステンレス鋼とすることで、燃料処理装置の高温耐久性が高まる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、他の種類のステンレス鋼（例えばフェライト系）よりも伸ばしやすい。このため、金属板の材料をオーステナイト系ステンレス鋼とすることは、成形加工性の観点からも好ましい。
【００３８】
このように、外筒下部と、外筒中部とをプレス絞り加工で一体的に作製する場合、外筒の折曲部において応力が残留し、シーズンクラックの原因になることがあった。ここで「シーズンクラック」とは、残留応力を有する部材が、時間の経過によって割れる現象を意味する。
【００３９】
これに対し、本発明者は、外筒の折曲部における曲率を調整することで折曲部における残留応力を低減し、シーズンクラックを防止できることを見出した。ここで「外筒の折曲部」とは、外筒下部の側面と底面とを接続する折曲部と、外筒中部における外筒の口径が変化する部分における折曲部と、を意味する（図４、折曲部１３９参照）。
【００４０】
例えば、外筒の材料である板の厚さが０．８〜１．２ｍｍである場合、外筒の折曲部における曲率半径は、２ｍｍ以上であることが好ましい。外筒の折曲部における曲率半径が、２ｍｍ以下であった場合、折曲部において応力が残留し、外筒にシーズンクラックが発生するおそれがある。より具体的には、外筒下部の側面と底面とを接続する折曲部における曲率半径は、約８ｍｍであり、外筒中部の折曲部における曲率半径は、約４ｍｍである。このように、外筒の折曲部における曲率半径を調節することで、シーズンクラックの発生を抑制しつつ、全周溶接部を有さない外筒下部と、外筒中部とをプレス絞り加工で一体的に作製することができる。
【００４１】
一方で、折曲部における曲率半径が大きすぎると、外筒が軸心方向に長くなる。また、外筒の折曲部では、外筒の口径の管理が困難になることから、外筒の折曲部では後述する一酸化炭素除去部における触媒を保持する棚板などを設けることができない。このため折曲部における曲率半径が大きすぎると、外筒内に無駄な空間が発生する。このように、折曲部における曲率半径が大きすぎると、燃料処理装置が不必要に長くなり、大型化する。このような、大型の燃料処理装置は、小型化が求められるコージェネレーションシステムに組み込む燃料処理装置として好ましくない。
【００４２】
また、折曲部における曲率半径が大きくなると、外筒の表面積が大きくなり、燃料処理装置が放熱しやすくなる。このため折曲部における曲率半径が大きすぎると、放熱を防ぐために必要となる断熱材の量が増え、断熱コストが上がる。
【００４３】
このため外筒の折曲部における曲率半径が大きすぎることは好ましくない。具体的には、外筒の折曲部における曲率半径は、１２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
さらに本発明では、外筒の全ての部材が（外筒上部、外筒中部、外筒下部）プレス絞り加工で一体的に作製されることが好ましい（実施の形態１参照）。しかし、外筒は、軸心方向に一定の長さを有するので、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって外筒を作製することは困難な場合がある。したがって本発明では、外筒中部および外筒下部と、外筒上部とを別々に作製し、外筒上部を全周溶接によって外筒中部に接合してもよい（実施の形態２参照）。外筒上部が全周溶接によって外筒中部に接合されている場合、外筒は、外筒中部と外筒上部との間に全周溶接部を有しうる。
【００４５】
このように、本発明の燃料処理装置は、外筒の外筒下部と外筒中部とが、全周溶接部を有しないので、温度変化に対する耐久性が高く、寿命が長い（後述）。
【００４６】
２．本発明の燃料処理装置の構造について
次に本発明の燃料処理装置の構造について説明する。本発明の燃料処理装置は、上述のように１）蒸発部と、２）改質部と、３）一酸化炭素除去部とを有する。
【００４７】
１）蒸発部
蒸発部では、蒸発部に供給された都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などのメタンを含む原料ガスと水とが加熱され、原料ガスと水蒸気とが混合される。蒸発部は、内筒の上部と中筒の上部との間に形成される。蒸発部は、内筒の外周に沿って周回するように螺旋状の流路から構成されることが好ましい。内筒と中筒との間に螺旋状の流路を形成するためには、内筒と中筒との間の空間に内筒の外周に沿って周回する螺旋状のガイドを設ければよい。
【００４８】
蒸発部が螺旋状の流路から構成されると、蒸発部の長さが長くなり、原料ガスおよび水が蒸発部を流れる時間を長くすることができる。原料ガスおよび水が蒸発部を流れる時間が長いと、水が蒸発しやすくなる。蒸発した水（水蒸気）は、原料ガスと混合しやすい。
【００４９】
２）改質部
改質部は、蒸発部で生成された原料ガスと水蒸気との混合ガスから、水蒸気改質反応によって水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。改質部は、内筒の下部と中筒の下部との間に形成される。また、改質反応は吸熱反応であるため、改質部は、燃料処理装置の運転時に高温になる内筒の下部の周囲を包囲するように配置される（図３参照）。改質部が内筒の下部を包囲することで、改質部が加熱されやすくなり、改質反応の効率が高まる。改質部は、Ｎｉ系触媒やＲｕ系触媒などの金属系の改質触媒を含む。
【００５０】
３）一酸化炭素除去部
一酸化炭素除去部は、外筒上部と、中筒の上部との間に形成され、改質部で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去する。また、一酸化炭素除去部は、蒸発部の周囲を包囲する。一酸化炭素除去反応は、発熱反応である。このため、一酸化炭素除去部が蒸発部の周囲を包囲すると、燃料処理装置の使用中に一酸化炭素除去部が、蒸発部に熱を供給できる。
【００５１】
一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるＣＯ変成反応で、改質ガス中の一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成部と；ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応で、改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに１０ｐｐｍ以下程度にまで下げる選択酸化部とを有する。また、変成部と選択酸化部との間には、改質ガスに空気を供給するための空気供給部が備えられている。
【００５２】
改質部と一酸化炭素除去部とは、外筒下部と、中筒の下部との間に形成された改質ガス流路によって接続される。
【００５３】
また、改質部と一酸化炭素除去部とは、内筒の中心軸方向に離間していることが好ましい（図３参照）。このように、改質部と一酸化炭素除去部とを離間させることで、燃料処理装置の劣化を抑制することができる（実施の形態１参照）。
【００５４】
３．燃料処理装置による燃料ガスの製造について
次に本発明の燃料処理装置によって燃料ガスを製造するフローについて、図２を参照しながら説明する。
【００５５】
まず、第１ガス流路の蒸発部に原料ガスおよび水を供給する（Ｓ１００１）。蒸発部に供給された原料ガスおよび水は、蒸発部を流れる間に加熱部からの熱によって加熱される（Ｓ１００２）。その結果、水は蒸発して水蒸気となり原料ガスと混合される（Ｓ１００３）。
【００５６】
加熱された原料ガスおよび水蒸気は、改質部に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、改質ガスが生成される（Ｓ１００４）。
【００５７】
改質部で生成された改質ガスは、外筒の底と内筒および中筒との間の間隙で折り返し（図３参照）、改質ガス流路に流入する。そして改質ガスは、一酸化炭素除去部の変成部に流入する。変成部では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される（Ｓ１００５）。変成部で一酸化炭素が除去された改質ガスは、空気供給部によって供給された酸素を含む空気と混合された後に、一酸化炭素除去部の選択酸化部に流入する。選択酸化部では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される（Ｓ１００６）。一酸化炭素除去部で一酸化炭素が除去された改質ガス（燃料ガス）は、一酸化炭素除去部から流出し、燃料ガスが製造される。
【００５８】
このように、燃料処理装置の運転時には、加熱部の熱によって燃料処理装置自体が高温になる。特に加熱部によって集中的に加熱される内筒や外筒の底面付近は、最も高温（８００℃程度）になる。一方で、燃料処理装置の停止時には、燃料処理装置が常温まで低下する。
【００５９】
このため、起動と停止が頻繁に繰り返される家庭用コージェネレーションシステムに組み込まれた燃料処理装置は、温度変化にさらされる頻度が高い。特に燃料処理装置の外部環境に近い外筒は、燃料処理装置の停止後に最も急激に冷却される。また、上述のように、外筒の底面付近では、運転時に最も高温となる。したがって、外筒の外筒下部では、温度変化が激しく、温度変化による応力が最も大きい。
【００６０】
本発明では、激しい温度変化にさらされる外筒中部および外筒下部が、全周溶接部を有さず、プレス絞り加工で一体的に作製される。このため、本発明の外筒は、温度変化による応力に対する耐久性が高い。
【００６１】
一方、従来の燃料処理装置のように、外筒下部の底板と、外筒下部の側面と、外筒中部と、外筒上部とを溶接で接合する場合（図１参照）、温度変化による応力によって外筒下部の底板と外筒下部の側面との溶接部や、外筒下部と外筒中部との溶接部が劣化し、クラックなどが発生しやすかった。
【００６２】
このように、本発明によれば、外筒の温度変化に対する耐久性を向上させ、寿命が長い燃料処理装置を提供することができる。
【００６３】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００６４】
［実施の形態１］
図３は、本発明の実施の形態１の燃料処理装置１００の断面図を示す。図３に示されるように本発明の燃料処理装置１００は、内筒１１０と中筒１２０と外筒１３０とを有する。
【００６５】
また、本発明の燃料処理装置１００は、内筒１１０内に配置された加熱部１１５；加熱部１１５によって加熱された燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路１１７；蒸発部２１０；改質部２２０；改質ガス流路３１０；および、変成部３２０と選択酸化部３３０とを有する一酸化除去部；を有する。
【００６６】
図３中の矢印Ｘは、ガスが流れる方向を示す。図３に示されるように、まず、蒸発部２１０に原料ガスおよび水が原料供給口２１１から供給される。蒸発部２１０に供給された原料ガスおよび水は、蒸発部２１０を流れる間に加熱部１１５からの熱によって加熱される。その結果、水は蒸発して水蒸気となり原料ガスと混合される。
【００６７】
加熱された原料ガスおよび水蒸気は、改質部２２０に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、改質ガスが生成される。
【００６８】
改質部２２０で生成された改質ガスは、外筒１３０の底１３１と内筒１１０および外筒１２０との間隙で折り返し、改質ガス流路３１０に流入する。そして改質ガスは、変成部３２０に流入する。変成部３２０では、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。変成部３２０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、空気供給口３２１から供給された酸素を含む空気と混合された後に、選択酸化部３３０に流入する。選択酸化部３３０では、改質ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。その後、改質ガス（燃料ガス）は、排出口３３１から排出され、燃料ガスが得られる。
【００６９】
また、本実施の形態では、改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とは、内筒１１０の中心軸方向に離間する。このため、改質部２２０と変成部３２０との間には、内筒１１０の中心軸に沿ったギャップＧが形成される。ギャップＧの大きさは、５〜１５０ｍｍであることが好ましい。このように、吸熱反応を触媒する改質部２２０と、発熱反応を触媒する変成部３２０との間に、内筒１１０の中心軸に沿ったギャップを設けることで、燃料処理機の劣化を抑制することができる。
【００７０】
上述のように、改質部２２０は吸熱反応を触媒し、一酸化炭素除去部（変成部３２０）は発熱反応を触媒する。このため、仮に、改質部２２０と一酸化炭素除去部（改質部２２０）とが、内筒１１０の中心軸方向にオーバーラップした場合、オーバーラップした領域の中筒および外筒は、改質部２２０と変成部３２０との間の温度差にさらされる。このため、改質部２２０と変成部３２０とがオーバーラップすると、オーバーラップした領域の中筒および外筒が、温度差による応力によって劣化しやすい。
【００７１】
一方、本実施の形態のように改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とが、内筒１１０の中心軸方向に離間していると、温度差が激しい領域が形成されない。このため、改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とを離間させることで、改質部２２０と変成部３２０との間の温度差による中筒および外筒の劣化を抑制することができる。
【００７２】
本実施の形態の燃料処理装置１００は、内筒１１０、中筒１２０および外筒１３０の構造に特徴を有する。以下、図４を参照しながら、内筒１１０、中筒１２０および外筒１３０の構造について説明する。図４では、加熱部１１５、燃焼ガス流路１１７、改質部２２０、変成部３２０および選択酸化部３３０を省略する。
【００７３】
内筒１１０は側面を構成する筒体と底面を構成する底板とからなる。本実施の形態では内筒１１０は、全周溶接部を有さず、１枚の金属板をプレス絞り加工することで作製されることが好ましい。
【００７４】
中筒１２０は内筒１１０と同一の中心軸を有し、内筒１１０よりも大きな口径を有する。また、中筒１２０は内筒１１０と異なり、底面を有さない。本実施の形態では、中筒１２０の下部の口径が大きく、中筒１２０の上部の口径が小さい。より具体的には、中筒１２０のうち、後述する外筒上部１３７に囲まれた領域の口径が小さく；中筒１２０のうち、外筒下部１３３に囲まれた領域の口径が大きい。また、本実施の形態では、中筒１２０は、全周溶接部を有さないことが好ましい。
【００７５】
外筒１３０は内筒１１０および中筒１２０を包囲する。また外筒１３０は、底板１３１を有する。外筒１３０は、口径が小さい外筒下部１３３と、口径が大きい外筒上部１３７と、外筒下部１３３と外筒上部１３７とを繋ぐ外筒中部１３５と、からなる。外筒中部１３５では、外筒１３０の口径が変化する。
【００７６】
本実施の形態では、外筒下部１３３と、外筒中部１３５と、外筒上部１３７とは、プレス絞り加工で一体的に作製される。また、外筒１３０と中筒１２０とを接続するフランジ１４０は、外筒１３０の天井の端部に溶接されている。このように本実施の形態では、外筒１３０の天井側の端部とフランジ１４０との接続部のみが全周溶接部１３６である。このため、本実施の形態では、外筒中部１３５、外筒下部１３３および底板１３１が全周溶接部を有さない。
【００７７】
外筒１３０の底板１３１の反対側の端部では、燃料処理装置の運転時の温度が１００℃〜１５０℃程度にしかならならず、温度変化の幅が小さい。このため、外筒１３０の端部とフランジ１４０との間の全周溶接部１３６は、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。
【００７８】
また、本実施の形態は、外筒１３０の折曲部１３９における曲率半径に特徴を有する。図４に示されるように、外筒１３０は、外筒中部１３５に折曲部１３９を２つ有し、外筒下部１３３に、側面と底板１３１とを接続する折曲部１３９を１つ有する。
【００７９】
図５は、図４に示された外筒下部１３３と底板１３１との接続部における折曲部１３９の拡大図を示す。図５に示された折曲部１３９の曲率半径θは、２ｍｍ以上であり、約８ｍｍである。また、内筒１１０および中筒１２０における折曲部も同様に調整されることが好ましい。
このように、外筒１３０の折曲部１３９における曲率半径θを調節することで、折曲部における残留応力を減少させて、シーズンクラックの発生を抑制しつつ、外筒をプレス絞り加工で一体的に作製することができる。
【００８０】
このような外筒１３０は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製される。外筒１３０の作製方法は、少なくとも、１）口径が一定の円筒体を有する外筒を作製するステップと、２）外筒上部の口径を広げるステップとを有する。以下、外筒１３０の作製方法について図６Ａ〜Ｌを参照しながら説明する。
【００８１】
図６Ａ〜Ｄは、口径が一定の円筒体を有する外筒１３０ａを作製するステップを示す。外筒１３０ａを作製するステップでは、まず、図６Ａに示されるように、ダイ５０１とパンチ５０３およびしわ押さえ５０５との間に加工油を塗布した金属板５０７を配置する。
【００８２】
次に、図６Ｂに示されるように、金属板５０７をしわ押さえ５０５で押さえながら、パンチ５０３をプレスによってダイ５０１に押し込む。これにより金属板５０７もダイ５０１に押し込まれ、金属板５０７が窪む。
【００８３】
次に、図６Ｃに示されるように、パンチ５０３をさらにダイ５０１に押し込む。これにより金属板５０７が完全にダイ５０１に押し込まれ、外筒１３０ａが作製される。
【００８４】
そして、図６Ｄに示されるようにダイ５０１から外筒１３０ａを取り外す。上述のように、外筒１３０ａの外筒下部と外筒上部との口径は同一である。
【００８５】
図６Ａ〜Ｄでは、１度のプレス絞り加工で、金属板５０７から外筒１３０ａを作製する例を説明したが、プレス絞り加工を複数回行うことで、外筒１３０ａを徐々に深くしてもよい。
【００８６】
図６Ｅ〜Ｌは、外筒１３０ａの外筒上部の口径を大きくし、外筒１３０を完成させるステップを示す。外筒上部の口径を大きくするステップでは、まず、図６Ｅに示されるように、外筒１３０ａの形状に合わせたパンチ５１３に外筒１３０ａをはめ込み、ダイ５１１に押し込む。
【００８７】
その後、図６Ｆおよび図６Ｇに示されるように、楔型パンチ５１５をダイ５１１に押し込む。これにより外筒１３０ａの開口側が広がる（図６Ｈ）。
【００８８】
楔形パンチ５１５で外筒１３０ａの開口側を、ある程度広げた後、底が平らなパンチ５１７をダイ５１１に押し込む（図６Ｉ、図６Ｊ）。このように、本実施の形態では、楔型パンチ５１５でまず外筒上部の口径を、ある程度広げ、そして底が平らなパンチ５１７で外筒上部の口径をさらに広げることを特徴とする。このように、複数のステップで外筒上部の口径を徐々に広げることで、折曲部にかかるストレスを低減することができる。そして、パンチ５１７をダイ５１１に完全に押し込むことで、外筒１３０ａの開口側が所望の形状に広がり、口径が小さい外筒下部１３３と、口径が大きい外筒上部１３７と、外筒下部１３３と外筒上部１３７とをつなぐ外筒中部１３５とを有する外筒１３０が作製される（図６Ｋ）。
【００８９】
そして、ダイ５１１から外筒１３０を取り外すことで、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製された外筒１３０が得られる（図６Ｌ）。
【００９０】
このように、本実施の形態によれば、外筒の温度の変化幅が大きい領域に全周溶接部を有さないので、温度変化に対する耐久性が強い。また、本実施の形態では、内筒および中筒もそれぞれ一体的に形成されていることから、温度変化による応力に対する耐久性が高い。このため、本実施の形態によれば、温度変化に対する耐久性が高く、寿命が長い燃料処理装置が得られる。
【００９１】
［実施の形態２］
実施の形態１では、外筒が１枚の金属板をプレス絞り加工することによって作製される形態について説明した。実施の形態２では、外筒下部および外筒中部と、外筒上部とを、別々に作製し、外筒上部を外筒中部に接合する形態について説明する。
【００９２】
図７は、実施の形態２の燃料処理装置１００’の断面図である。実施の形態２の燃料処理装置１００’は、外筒１３０’が、外筒上部と外筒中部との間に全周溶接部を有する以外は、実施の形態１の燃料処理装置１００と同じである。したがって、実施の形態１の燃料処理装置１００と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。
【００９３】
図７に示されるように、外筒１３０’が、外筒上部１３７と外筒中部１３５との間に全周溶接部１３６を有する。
【００９４】
外筒上部１３７と外筒中部１３５との間では、燃料処理装置の運転時の温度が１５０℃〜３００℃程度にしかならならず、温度変化の幅が小さい。このため、外筒上部１３７と外筒中部１３５との間の全周溶接部１３６は、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。
【００９５】
図８は、外筒１３０’の製造工程の一部を示す。図８に示されるように、外筒１３０’はプレス絞り加工で一体的に作製された、外筒下部１３３および外筒中部１３５に、外筒上部１３７を溶接によって接合することで作製される。外筒上部１３７は、例えば、巻いた金属板を縦溶接することで作製されてもよい。上述のように外筒上部１３７付近では、温度変化の幅が小さいので、溶接部が、温度変化による応力の影響をうけにくく、劣化しにくい。このため、外筒上部１３７を巻いた金属板を縦溶接することで作製したとしても、外筒上部１３７が劣化することはない。
【００９６】
このように本実施の形態によれば、外筒下部および外筒中部と、外筒上部とを分けて作製することができる。このため、外筒下部および外筒中部をより簡便にプレス絞り加工で一体的に作製することが可能となる。
【００９７】
本出願は、２０１０年１月５日出願の特願２０１０−０００７６２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の燃料処理装置は、温度変化に対する耐久性が高いことから、起動と停止が多数繰り返される家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１００、１００’  燃料処理装置
１１０  内筒
１１５  加熱部
１１７  燃焼ガス流路
１２０  中筒
１３０  １３０’  外筒
１３１  底板
１３３  外筒下部
１３５  外筒中部
１３６  全周溶接部
１３７  外筒上部
１３９  折曲部
１４０  フランジ
２１０  蒸発部
２１１  原料供給口
２２０  改質部
３１０  改質ガス流路
３２０  変成部
３２１  空気供給口
３３０  選択酸化部
３３１  燃料ガス排出口
５０１、５１１  ダイ
５０３、５１３、５１５、５１７  パンチ
５０５  しわ押さえ
５０７  金属板
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底の内筒と、
前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、
前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、
前記外筒は、前記外筒の底を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、全周溶接部を有さない、燃料処理装置であって、
前記内筒内に配置された加熱部と、
前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、
前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、
前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を含む、燃料処理装置。
【請求項２】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記外筒下部は、側面と底面とを接続する折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記外筒中部は、折曲部を有し、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、請求項１に記載の燃料処理装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011083534.tif 000013
【図２】
2011083534.tif 000014
【図３】
2011083534.tif 000015
【図４】
2011083534.tif 000016
【図５】
2011083534.tif 000017
【図６Ａ−Ｄ】
2011083534.tif 000018
【図６Ｅ−Ｈ】
2011083534.tif 000019
【図６Ｉ−Ｌ】
2011083534.tif 000020
【図７】
2011083534.tif 000021
【図８】
2011083534.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月26日(2011.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
すなわち本発明は以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］有底の内筒と、前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、前記外筒は、前記外筒の底板を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底板とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された、全周溶接部を有さない燃料処理装置であって、前記内筒内に配置された加熱部と、前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、前記底板と前記外筒下部の側面とを接続する折曲部と、前記外筒中部における前記外筒下部の口径から拡大する折曲部と、前記外筒中部における前記外筒上部の口径から縮小する折曲部と、を含み、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、燃料処理装置。
［２］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［４］前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［５］前記内筒の中心軸方向における前記改質部と前記変成部との間にはギャップが形成されており、このギャップが５〜１５０ｍｍである、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底の内筒と、
前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、
前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、
前記外筒は、前記外筒の底板を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底板とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された、全周溶接部を有さない燃料処理装置であって、
前記内筒内に配置された加熱部と、
前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、
前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、
前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、
前記外筒下部の側面と前記底板とを接続する折曲部と、
前記外筒中部における前記外筒下部の口径から拡大する折曲部と、
前記外筒中部における前記外筒上部の口径から縮小する折曲部と、
を含み、
前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、燃料処理装置。
【請求項２】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記内筒の中心軸方向における前記改質部と前記変成部との間にはギャップが形成されており、このギャップが５〜１５０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月26日(2011.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
すなわち本発明は以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］有底の内筒と、前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、前記外筒は、前記外筒の底板を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底板とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された、全周溶接部を有さない燃料処理装置であって、前記内筒内に配置された加熱部と、前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、前記底板と前記外筒下部の側面とを接続する折曲部と、前記外筒中部における前記外筒下部の口径から拡大する折曲部と、前記外筒中部における前記外筒上部の口径から縮小する折曲部と、を含み、前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、燃料処理装置。
［２］前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、［１］に記載の燃料処理装置。
［４］前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［５］前記一酸化炭素除去部は、一酸化炭素変成反応によって前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する変成部を有し、
前記内筒の中心軸方向における前記改質部と前記変成部との間にはギャップが形成されており、このギャップが５〜１５０ｍｍである、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
また、本発明の燃料処理装置１００は、内筒１１０内に配置された加熱部１１５；加熱部１１５によって加熱された燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路１１７；蒸発部２１０；改質部２２０；改質ガス流路３１０；および、変成部３２０と選択酸化部３３０とを有する一酸化炭素除去部；を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
上述のように、改質部２２０は吸熱反応を触媒し、一酸化炭素除去部（変成部３２０）は発熱反応を触媒する。このため、仮に、改質部２２０と一酸化炭素除去部（変成部３２０）とが、内筒１１０の中心軸方向にオーバーラップした場合、オーバーラップした領域の中筒および外筒は、改質部２２０と変成部３２０との間の温度差にさらされる。このため、改質部２２０と変成部３２０とがオーバーラップすると、オーバーラップした領域の中筒および外筒が、温度差による応力によって劣化しやすい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底の内筒と、
前記内筒を包囲し、前記内筒と同一の中心軸を有する無底の中筒と、
前記中筒を包囲し、前記内筒および中筒と同一の中心軸を有する有底の外筒と、を有し、
前記外筒は、前記外筒の底板を含む外筒下部と、前記外筒下部よりも口径が大きく、かつ前記外筒の底板とは反対側の端部を含む外筒上部と、前記外筒下部と前記外筒上部とをつなぐ外筒中部とを有し、前記外筒中部および前記外筒下部は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された、全周溶接部を有さない燃料処理装置であって、
前記内筒内に配置された加熱部と、
前記内筒の上部と前記中筒の上部との間に形成され、水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する蒸発部と、
前記内筒の下部と前記中筒の下部との間に形成され、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって改質ガスへと変化させる改質部と、
前記中筒の上部と前記外筒上部との間に形成され、前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、
前記外筒下部の側面と前記底板とを接続する折曲部と、
前記外筒中部における前記外筒下部の口径から拡大する折曲部と、
前記外筒中部における前記外筒上部の口径から縮小する折曲部と、
を含み、
前記折曲部における曲率半径は２ｍｍ以上である、燃料処理装置。
【請求項２】
前記外筒は、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された前記外筒上部、前記外筒中部および前記外筒下部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記外筒は、前記外筒中部と、前記外筒上部との間に全周溶接部を有する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記改質部と、前記一酸化炭素除去部とは、前記内筒の中心軸方向に離間している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記一酸化炭素除去部は、一酸化炭素変成反応によって前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する変成部を有し、
前記内筒の中心軸方向における前記改質部と前記変成部との間にはギャップが形成されており、このギャップが５〜１５０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
【国際調査報告】
2011083534.tif 000023
2011083534.tif 000024
2011083534.tif 000025
2011083534.tif 000026